Краткий обзор старения: теории, механизмы и перспективы на будущее, часть 2

Пожалуйста свяжитесьoscar.xiao@wecistanche.comЧтобы получить больше информации

В связи с тем, что митохондрии являются основным производителем АФК в клетках млекопитающих, митохондриальная ДНК (мтДНК) особенно восприимчива к окислительному повреждению (Cui et al., 2011), а основным пуриновым продуктом окислительного повреждения ДНК является 7,{ {2}}дигидро-8-оксо-2'-дезоксигуанозин(8-оксид). Это при репликации может вызывать характерные трансверсии G:T с относительно низкой частотой (Hanes et al, 2006), что приводит к мутациям, которые приводят к дефектным компонентам электрон-транспортной цепи (ETC). Последующее включение их в ETC вызывает дальнейшее увеличение видов АФК, что в конечном итоге приводит к «порочному кругу» продукции АФК и мутаций мтДНК, что в конечном итоге приводит к уровням повреждения клеток, несовместимым с жизнью (Алексеев, 2009). Следовательно, поддержание митохондрий необходимо для сохранения клеточного гомеостаза, а нарушение поддержания митохондрий было описано как общий признак многочисленных патологий и старения человека (Artal-Sanz and Tavermarakis, 2009). Хотя этот механизм до конца не ясен, недавние исследования показали, что митофагия, специфический и избирательный тип аутофагии, нацеленный на деградацию митохондрий, взаимодействует с митохондриальным биогенезом, чтобы регулировать содержание митохондрий, а также продолжительность жизни у C. elegans (Palikaras et al. ..2015).

Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы узнать больше

Тем не менее, одним из наиболее важных аспектов вызванных АФК повреждений ДНК и старения являются уровни метилирования ДНК. Они меняются с возрастом, и обычно считается, что гипометилирование ДНК является типичным аспектом процесса старения (Афанасьев, 2014). ROS являются активными интермедиатами метилирования ДНК, а также модификации гистонов. Эти активные формы кислорода могут играть роль в эпигенетических процессах (физиологических фенотипических вариациях, вызванных внешними факторами или факторами окружающей среды, которые включают/выключают гены) посредством реакций нуклеофильного замещения на уровне ДНК.Цистанхе против старенияСледовательно, было высказано предположение, что лучшее сохранение уровней метилирования ДНК, более медленный клеточный метаболизм и улучшенный контроль передачи сигналов через эпигенетические механизмы могут быть ключевыми процессами, связанными с долголетием человека. Другими словами, передача сигналов АФК в стареющих клетках, вероятно, вызывает гипометилирование ДНК, хотя для подтверждения такой гипотезы все еще недостаточно данных (Gentilini et al., 2013). Тем не менее, есть некоторые доказательства, подтверждающие роль АФК в процессе старения, а именно исследования влияния ионизирующего излучения на живые клетки, диетические манипуляции и работы, подчеркивающие участие свободных радикалов в патогенезе конкретных заболеваний (Harman, 1993).

Эти генетические связи между старением и окислительным повреждением были описаны для животных, у которых большинство зрелых клеток являются постмитотичными. Такие клетки могут быть более восприимчивы к

кумулятивные повреждения АФК из-за невозможности замены самих себя. Интересно, что было продемонстрировано, что такая восприимчивость к повреждению может сильно различаться у млекопитающих, даже у млекопитающих одинакового размера (Montgomery et al., 2011). Наиболее уязвимыми органами у этих организмов являются сердце, мозг и скелетные мышцы. Это связано с тем, что это ткани, богатые энергией, и, в случае мозга, восприимчивость к повреждениям, вызванным АФК, может быть связана с обилием окислительно-восстановительных соединений (de Magalhaes, 2013). Хотя АФК обычно считаются повреждающими соединениями, исследования подтвердили, что они играют важную роль во многих клеточных функциях (Miki and Funato, 2012; Ray et al, 2012; Sena and Chandel, 2012), таких как регуляция митоген-активируемого сигнальные пути протеинкиназы (MAPK) (Cuadrado and Nebreda, 2010) и уровни экспрессии регуляторных белков железа -1 и -2 (IRP1 и IRP2, участвующих в гомеостазе железа) (Recalcati et al., 2010) . Кроме того, следствием такого строгого взгляда на АФК как на вредные соединения является то, что антиоксиданты должны ограничивать свое влияние на старение и общее состояние здоровья (Vina et al., 2016). Однако многочисленные исследования показали, что это не всегда так (Fortmann et al., 2013; Grodstein et al., 2013; Higashida et al., 2011). АФК, в том числе в митохондриях, не обязательно вредны и, по сути, Сообщалось о некоторых преимуществах для здоровья, включая положительную роль в продолжительности жизни в условиях стресса (Lee et al., 2010). Следовательно, их низкие уровни могут вызывать адаптивный ответ, который в конечном итоге приводит к общему улучшению системных защитных механизмов, концепции, называемой митохондриальным гормезисом или митогормезисом (Kawagishi and Finkel, 2014; Ristow, 2014).

Цистанхе может омолаживать

Следовательно, старение может быть результатом нарушения регуляции сигнальных путей АФК, а не самих реактивных видов (de Magalhaes, 2013). Однако, учитывая имеющиеся данные для митотических или постмитотических клеток, доказательства прямой связи между АФК и старением все еще в лучшем случае ненадежны.

При воздействии на ДНК и липиды (рис. 2) окислительное повреждение белков является необратимым и непоправимым (Thanan et al., 2014) и должно разрушаться протеасомой. Протеасома является наиболее важным протеолитическим механизмом в эукариотических клетках, в значительной степени ответственным за удаление окисленных белков и предотвращение их агрегации (Nystrom, 2005). Однако было показано, что при старении активность протеасом нарушается, что приводит к накоплению окисляющих белков, агресомы и липофусцина, так называемого возрастного пигмента.

На самом деле, агрегация белков является общим определяющим признаком возрастных заболеваний.

нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера (David, 2012). Согласно этой точке зрения, старение представляет собой нарастающий коллапс белкового гомеостаза и зависит от взаимодействия между компонентами сети протеостаза, что оказывает заметное влияние на долговременное здоровье клетки (Douglas and Dillin, 2010). Эти сети протеостаза способны буферизовать постоянный поток неправильной укладки белков, что вызвано изначально склонными к ошибкам характеристиками белкового синтеза и механизмов деградации. Однако со временем такие сети также изнашиваются, что делает клетки более уязвимыми к вызываемому белками токсическому стрессу (Morimoto, 2004).

противодействие агрегации болезнетворных белков на ранних стадиях их жизни за счет уменьшения потока болезнетворных белков за счет усиления контроля фолдинга и деградации, снижения синтеза белка и благоприятного процессинга белка (Douglas and Dillin, 2010). Тем не менее, это очень сложные механизмы (Hetz and Glimcher, 2011), и их точная природа остается в значительной степени неизвестной (Jaroszet al., 2010). Были предприняты попытки увеличить экспрессию и активность протеасом, что привело к увеличению продолжительности жизни на 15-20 процентов в клеточных моделях. Однако, несмотря на некоторые убедительные доказательства образования белковых агрегатов при некоторых возрастных заболеваниях, неясно, вызывает ли агрегация белков старение или наоборот (Moronetti MazZeo et al., 2012).

Основная функция системы протеолитической деградации поврежденных белков в предотвращении накопления наиболее поврежденных белков. Если поврежденный белок не распознается и расщепляется за счет протеасомной активности, может иметь место дальнейшее окисление, а также ковалентное сшивание с другими белковыми побочными продуктами перекисного окисления липидов, такими как 4-гидрокси-2-транс-номинальные (HNE) (Friguet and Szweda. 1997) и малоновый диальдегид (MDA) (Voitkun and Zhitkovich, 1999), два широко распространенных бифункциональных продукта окисления альдегидов. При недостаточно быстрой деградации и/или когда клетка подвергается сильному окислительному стрессу, существует повышенная вероятность того, что клетки достигнут другой стадии. На этой стадии белки больше не расщепляются протеасомой. Это приводит к образованию белковых агрегатов, гидрофобных и нерастворимых по своей природе, называемых «агресомами» (Amidi et al., 2007). Образование агресом может быть вызвано термодинамическим воздействием их гидрофобных остатков, а побочные продукты перекисного окисления липидов (такие как MDA или HNE) могут вызывать ковалентное сшивание (Jung et al., 2009). Протеасомная активность снижается в стареющих клетках, и это было показано, что протеасомное ингибирование в молодых клетках приводит к усиленному образованию (полиубиквитинированных) белковых агрегатов (Powell et al., 2005). Интересно, что были некоторые указания на то, что здоровые долгожители проявляют уровни как протеасомной активности, так и окислительно модифицированных белков, идентичных тем, которые обнаруживаются в более молодых контрольных группах (Chondrogianni et al., 2000). Эти наблюдения привели к идее искусственной активации протеасомной системы в качестве стратегии борьбы со старением (Chondrogianni and Gonos, 2008). Несмотря на явно повышенный протеолиз с более высоким оборотом поврежденных/модифицированных белков и ускоренным восстановлением после внешнего окислительного стресса, такие стратегии все еще далеки от реализации. Только несколько посттрансляционных модификаций рибосомных субъединиц, которые влияют на активность протеасом во время старения, были исследованы, и многие области регуляции протеасом полностью не выяснены, включая специфические регуляторы и транскрипционную регуляцию путей активации протеасом.

Как и в случае с окислительным повреждением, нитрозативное повреждение, вызванное активными формами азота (РЧА), такими как оксид азота, также способствует возрастным заболеваниям, а именно стеатозу и апоптозу печени (Abdelmegeed et al., 2016). а также функциональные и структурные изменения в сердечно-сосудистой системе (Новелла и др., 2013; Суриков и др., 2015). Кроме того, это также связано с нарушениями гомеостаза сна (Rytkönen et al., 2010), психологическими расстройствами (Maurya et al, 2016) и деменцией (Mangialasche et al, 2009). Однако механизмы, с помощью которых RNS могут взаимодействовать с клеточными компонентами, такими как митохондрии, до сих пор неясны, особенно in vivo (Zelickson et al.2013). Следовательно, необходимо лучше понять, как формируются эти виды и процессы, посредством которых они влияют на митохондриальную и клеточную функцию.

Конечные продукты усиленного гликирования (AGE) представляют собой сложную и очень гетерогенную группу соединений, способных вызывать клеточное окислительное повреждение. Они образуются, когда восстанавливающий сахар реагирует неферментативным путем с белками, липидами или ДНК (рис. 3), получившим название реакции Майяра (Luevano-Contreras and Chapman-Novakofski, 2010). Эта реакция играет решающую роль в пищевой промышленности, поскольку ее продукты придают пищевым продуктам желаемый вкус и цвет (Rufian-Henares and Pastoriza, 2016). In vivo КПГ привлекают все больше внимания в связи с тем, что они связаны с определенными хроническими заболеваниями, а именно диабетом (Forbes et al., 2004), сердечно-сосудистыми патологиями (Bucala et al., 1994) и, в последнее время, когнитивными нарушениями. нарушения (West et al., 2014; Yaffe et al., 2011). Их биологические вредные эффекты можно объяснить их прооксидантным, воспалительным и химическим действием (Ahmed, 2005), которые проявляются двумя различными механизмами. Один не зависит от рецептора, а другой включает рецептор AGEs (RAGE) (Luevano-Contreras and Chapman-Novakofski, 2010) (Fig. 4). Взаимодействие RAGE и AGE в конечном итоге приводит к циклу положительной обратной связи (Ishibashi et al., 2014; Lohwasser et al., 2006; Nakamura et al., 2009; Tanaka et al., 2000), увеличивая экспрессию RAGE. Кроме того, взаимодействие AGEs-RAGE активирует NADPH-оксидазу, которая активируется, тем самым увеличивая внутриклеточный окислительный стресс (Luevano-Contreras and Chapman-Novakofski, 2010). Несмотря на ряд интересных работ, описывающих накопление КПГ при возрастных заболеваниях (Srikanth et al., 2011; West et al., 2014) и у пожилых людей (Peppa et al., 2008; Uribarriet al., 2007; Vlassara et al., al,2009), до сих пор не установлена ​​прямая связь между ними и старением.

Еще одна преобладающая теория повреждения как причины старения — нестабильность генома, подробно рассмотренная в другом месте (Lopez-Otin et al., 2013). Как стабильность, так и целостность ДНК постоянно подвергаются воздействию многочисленных эндогенных и экзогенных факторов, включая ошибки репликации ДНК и физические,cistanche benefíciosхимические и биологические агенты (Lopez-Otin et al., 2013). Организмы развили сложную систему механизмов восстановления ДНК, которые в большинстве случаев эффективно справляются с этими повреждениями, нанесенными ДНК. Однако в случае дефекта эти механизмы могут привести к нестабильности генома и вызвать синдромы преждевременного старения. Хеликазы ДНК играют важную роль в поддержании стабильности генома, и, по сути, ряд мутаций в генах геликазы человека был связан с заболеваниями хромосомной нестабильности, характеризующимися возрастными заболеваниями (Suhasini and Brosh, 2013), включая пигментную ксеродерму (Xeroderma Pigmentosum). XP), синдром Коккейна (CS) и синдром Вернера (WS) (Brosh, 2013; Fang Evandro et al, 2014). Ядерные события, включая репарацию, связанную с транскрипцией (TCR), эксцизионную репарацию нуклеотидов (NER) и, возможно, более знакомую широкой аудитории, поддержание теломер, как полагают, индивидуально зависят от CS-A/CS-B, XP-B. /XP-D и геликазы WRN соответственно (Uchiumi et al., 2015).

Большинство сторонников теории старения, основанной на нестабильности генома, ссылаются на укорочение теломер (Kruk et al., 1995) (рис. 4). Теломеры представляют собой повторяющиеся последовательности ДНК на концах линейных хромосом, которые не могут быть полностью реплицированы ДНК-полимеразами (Johnson et al., 1999). Следовательно, теломеры укорачиваются с каждым клеточным делением, если только они не поддерживаются теломеразой, рибонуклеопротеиновым ферментом (рис. 5). Тем не менее у большинства млекопитающих этот фермент отсутствует, и истощение теломер фактически является причиной так называемого предела Хейфлика, максимальной пролиферативной способности некоторых типов культивируемых in vitro клеток (Hayflick and Moorhead, 1961). Это происходит из-за присутствия шелтерина, мультибелкового комплекса, который связывает теломеры и действует как барьер против белков репарации ДНК. Кроме того, введение теломеразы в нормальные клетки человека привело к получению бессмертных клеточных линий (Bodnar et al., 1998; Stampfer and Garbe, 2015).

Хотя присутствие шелтерина может на первый взгляд показаться вредным для клетки, такие механизмы предотвращают слияние хромосом (Meena et al., 2015). Несмотря на все эти явно неопровержимые доказательства того, что укорочение теломер является основным фактором старения, многие работы бросают тень сомнения на это утверждение. Исследования как поперечных, так и продольных образцов показали, что, если состояние здоровья донора и условия биопсии контролируются, не может быть определена значимая корреляция между возрастом донора и продолжительностью репликативной жизни клеток культуры (Holliday, 2014). Кроме того, было продемонстрировано, что процесс преждевременного старения прогероидных фибробластов (усиленных стареющих клеток) лишь частично разделяет процесс старения нормальных фибробластов in vitro (Toda et al, 1998), хотя недавняя экспериментальная работа показала, что теломераза обеспечивает защиту от ускоренного старения. в стволовых клетках, специфичных для линии синдрома Вернера (Cheung et al., 2014). Наконец, вопреки ожиданиям, с возрастом накапливаются CD28-T-клетки, которые демонстрируют укороченные теломеры и заметно сниженную пролиферативную способность в культуре (Effros, 1998). Следовательно, укорочение теломер может быть связано со старением, но, безусловно, не является единственной причиной старения, и механизм его действия, хотя и кажущийся простым в принципе, еще предстоит полностью понять.

Мутации и делеции в митохондриальной ДНК (мтДНК) также могут способствовать старению.Экстракт цистанхе против радиацииЭтот тип ДНК чрезвычайно насыщен генами и кодирует множество факторов, которые имеют решающее значение для окислительного фосфорилирования. Следовательно, мутации в мтДНК, которые, как считается, в десять раз выше, чем в ядерной ДНК (Jeppesen et al., 2011), вызывают широкий спектр митохондриальных заболеваний человека и связаны с возрастными заболеваниями и старением (Park and Larsson). , 2011), что дополнительно усиливается окислительным микроокружением митохондрий и отсутствием защитных гистонов, участвующих в механизмах репарации ядерной ДНК (Pinto, Moraes, 2015). Причинные доказательства роли повреждения мтДНК в старении получены в исследованиях на мышах с дефицитом митохондриальной ДНК-полимеразы Y. Эти мутанты проявляют аспекты преждевременного старения и сокращения продолжительности жизни (Vermulst et al., 2008). У людей делеции происходят через клональная экспансия единичных мутаций в старческом мозге была описана (Williams et al., 2013), что интересно, в областях мозга, очень восприимчивых к окислительному повреждению (Pickrell et al., 2011). Однако роль мутаций мтДНК в старении противоречива из-за множественности митохондриальных геномов (Lopez-Otin et al, 2013). Это означает, что мутантный геном и геном дикого типа могут сосуществовать в одной и той же клетке, явление, называемое «гетероплазмией», и недавно степень гетероплазмии была предложена в качестве простого и неинвазивного предиктора возрастных неврологических и двигательных нарушений (Tranah и др., 2015). Несмотря на такое возможное сосуществование мтДНК и глобально низкий уровень мутаций мтДНК, анализ отдельных клеток показал, что нагрузка отдельными стареющими клетками становится значительной (Khrapko et al., 1999) и может в конечном итоге достичь состояния гомоплазмии, при котором доминирует один мутантный геном (Lopez-Otin et al., 2013). Хотя механизмы, с помощью которых митохондриальная дисфункция приводит к заболеваниям, были описаны (Ylikallio and Suomalainen. 2012), то, как мутации мтДНК могут вызывать старение, полностью не выяснено (Pinto and Moraes, 2015). Одним из ключевых ограничений этой теории является то, что то, как очаговое нарушение митохондриальной функции может распространяться по всей ткани, остается необъяснимым. Таким образом, ясно, что необходимы дальнейшие исследования, чтобы лучше понять, как мутации мтДНК в конечном итоге приводят к старению.

(3) Комбинированные теории

Одна из первых попыток разработать единую теорию старения была предпринята Стрелером (1976) в 1976 году. Он сформулировал четыре постулата: (1) старение универсально, и,рост полового членакак таковой феномен, связанный со старением, должен проявляться у всех особей вида, хотя и в разной степени; (2) старение должно быть внутренним: причины должны быть эндогенными и не зависеть от внешних факторов; (3) старение прогрессирует. и должно происходить постепенно на протяжении всей жизни, и (4) старение должно быть вредным, т. е. явление, связанное со старением, будет считаться частью процесса старения только в том случае, если оно не несет никаких преимуществ для человека.

Вскоре после этого, исходя из этих постулатов, была разработана мембранная гипотеза старения (Зс.-Надь, 1978), основанная на том факте, что клеточные мембраны при старении становятся более жесткими и что уменьшение внутриклеточного содержания калия может привести к своего рода «омоложение». Другими словами, старение было связано с изменением способности клеток переносить химические вещества, тепло и электрические процессы.

В начале 1980-х годов Катлер выдвинул дисдифференцирующую гипотезу старения и долголетия млекопитающих (Cutler, 1982), основанную на представлении о том, что основной причиной большинства огромных сложностей процесса старения является отход клеток от их правильное состояние дифференцировки, так как дифференцированные клетки ответственны за инициирование каскада изменений во всем организме и что в сумме это старение (Taylor and Johnson, 2008). Хотя в некоторых исследованиях в качестве основной предпосылки использовалась гипотеза дисдифференциации старения (Kator et al., 1985; Ono et al., 1985), от этой идеи в значительной степени отказались в пользу некоторых ранее описанных взглядов в процесс старения.

Совсем недавно была предложена новая интегративная теория,цистанхе травана представлении о том, что старение в своей основе не является химическим процессом, а представляет собой биофизический, электрический по своей природе механизм. Теория старения с исчезновением электричества (De Loof et al., 2013) постулирует, что по мере того, как клетки постепенно теряют способность производить собственное электричество, вступают в действие биохимические процессы, которые были предложены в качестве движущих сил старения, что в конечном итоге приводит к смерти. по старению. Хотя эта теория, безусловно, правдоподобна, в ней отсутствуют данные, подтверждающие ее. Тем не менее это поднимает интересный аспект в исследованиях старения: ученые не должны ограничиваться биохимическими и генетическими причинами старения. Следует принимать во внимание всю биофизическую активность живой клетки, а именно биоэлектрическую, как возможную причину старения.

Хотя было предложено несколько теорий старения, на сегодняшний день нет единого мнения по этому вопросу. Фактически, многие из предложенных механизмов так или иначе взаимодействуют друг с другом (Jin, 2010). Следовательно, для фундаментального понимания того, как происходит процесс старения, необходим комплексный анализ имеющихся количественных данных на разных уровнях биологической иерархии. Были предприняты многочисленные попытки найти синергию и объединить различные взгляды и теории старения (Barja, 2013; Bengtson et al., 1999; Gems, 2000; Miquel, 1991; Weinert and Timiras, 2003), хотя ни одна из них не зарекомендовала себя как сложилось подробное и комплексное представление о том, что такое, а главное, как происходит старение. Тем не менее, комбинированные теории рассматривают старение как сильно взаимосвязанный процесс на системном уровне, регулируемый через петли обратной связи между уровнями биологической организации (Kriete et al., 2006) (рис. 6).

Эта статья взята из рукописи Aging Res Rev. Author; доступно в PMC 2018 07 июня.